无机抗菌剂应用现状及发展趋势研究

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2024年3月15日发(作者:防溺水儿歌)

无机抗菌剂应用现状及发展趋势研究

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第28卷第4期 

2007年4月 

湖南科技学院学报 

Journal of Hunan University of Science and Engineering 

VO1.28 NO.4 

Apr.2007 

无机抗菌剂应用现状及发展趋势研究 

贺岚 

杨武斌 陈常明 

(1.湖南省公安高等专科学校公共管理系,湖南长沙410138:2.广东佛山市康盟得高分子材料有限公司,广东佛山528325) 

要:介绍了抗茵材料、抗菌剂的基本分类,讨论了无机抗菌剂的分类、组成、性能、与抗茵机理,概括了无机抗菌 

剂应用领域,预测了无机抗茵剂的发展趋势。 

关键词:抗茵剂;无机抗茵剂;抗茵材料 

中图分类号:061 文献标识码:A 文章编号:1673—2219(2007)04—01 13-04 

无机抗菌剂一般是利用银、铜、锌等金属本身所具有的 

抗菌能力,通过物理吸附或离子交换等方法,将银、铜、锌 

等金属(或其离子)固定在拂石、硅胶等多孔材料的表面而制 

成抗菌剂,然后将其加入到制品中获得抗菌材料。无机系抗 

菌剂的优点是具有安全性、耐热性、耐久性、持续性,是纤 

毒等)的生长或繁殖被抑制在必要水平以下的化学物质。抗 

菌剂在塑料中的添加量一般很少,在保持塑料原来的常规性 

能和加工性能前提下,起到抗菌的功效…。理想的抗菌剂应 

具有高效、快速、广谱、低毒、无味、稳定性好等特点。对 

于塑料用抗菌剂,应具有以下六大基本条件:(1)良好抗菌 

能力和广谱抗菌性;(2)与基材的相容性或可加工性好,添 

加到基材中,不会引起基材的性能下降;(3)具有一定耐候 

性,在一定的温度及日照下,不易分解失效;(4)抗菌时效 

维、塑料、建材等生活制品最适宜的抗菌剂品种。不足之处 

是价格较高和抗菌的迟效性,不能象有机抗菌剂那样能迅速 

杀死细菌。由于无机抗菌剂有着种种优点,良好的商业前景, 

成为了抗菌剂领域的研究热点,受到各国科学界的关注。 长,耐磨损和耐洗涤;(5)安全性好,符合卫生要求,对人 

体无害;(6)不易使细菌产生耐药性。 

1 抗菌材料与抗菌剂概述 

1.1抗茵材料 

根据其基质材料的不同,抗菌剂一般可分为无机、有机、 

天然和复合类等几大类。表1对这四类抗菌剂的品种与化学 

成分、抗菌机理以及优缺点作了简单的比较。 

抗菌材料使用中首先要满足塑料作为基本材料使用时 

对其物理、化学、机械等性能的必要要求,同时要考虑具备 

抗菌这一特殊功能的要求以及由此产生的附加因素。因此, 

抗菌塑料要有良好的力学强度外观、化学稳定性,良好的可 

表1各类抗菌剂性能的比较 

种类 品种与 抗菌机理 优点 缺点 

化学成分 

银一活性碳、 金属离子可与细菌或 

银一沸石、银一 霉菌细胞中的一SH、 

加工性。在抗菌性方面,要求抗菌塑料能够适应使用环境, 

并应当有高效、广谱、长效的抗菌性。由于抗菌塑料中含有 

少量抗菌剂,因此要求所用的抗菌剂达到规定的卫生安全 

性,并使最终的抗菌塑料成品达到无毒、无异味、对环境无 

害的要求。于抗菌塑料l抗菌食品包装l抗菌卫生纸l抗菌纺 

织制品 

l,2抗菌剂 

无机 硅胶、银一二 一Nit!、一COOH等基团 安全性高, 存在变 

抗菌 氧化钛、银、 发生化学反应,改变蛋 耐久・陛好, 色问题. 

剂 锌、铜等金属 白质的性质,破坏细胞 广谱抗菌, 价格偏 

离子及其氧 合成酶的活性,从而抑 耐热性好 同 

化物 制细菌的繁殖能力 

抗菌剂是抗菌塑料的核心成份。抗菌剂指的是能够在一 

定时间内,使许多微生物(细菌、真菌、酵母菌、藻类及病 

有机 有机酸类、酚 种类繁多, 广谱性 

抗菌 类、季钱盐 破坏细胞膜,使蛋白 生产成本 差,毒性 

剂 类、苯并咪唑 质代谢受阻 低廉,杀菌 大.耐热 

类等有机物 速度快 性差 

收稿日期:2007—01—07 

天然 甲壳质、壳聚 破坏细胞壁,阻碍细 

芦荟等 合成 

寿命段, 

性差 

作者简介:贺岚(1972一),女,湖南邵阳人,湖南省 

公安高等专科学校讲师,主要从事危险化学品安全管理方面 

的研究。杨武斌(1972一),男,湖南邵阳人,硕士研究生, 

抗菌 糖、桧柏、艾 菌自由活动和DNAgJ 安全性高 耐热性 

剂 蒿差,广谱 

广东佛山市康盟得高分子材料有限公司工程师,主要从事聚 

合物材料改性研究。陈常明(1972一),男,湖南衡阳人, 

硕士研究生,广东佛山市康盟得高分子材料有限公司工程 

师,主要从事聚合物材料改性研究。 

复合 无机/无机、 

抗菌 无机/有机、 

刘 有机/有机等 

多种复配方式 

有高效,快 生产成 

速,广谱,低 本高,制 

毒,无味,稳 备工艺 

定性好 复杂 

l13 

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2无机抗菌剂的研究现状 

按照抗菌机理,无机抗菌剂可细分为金属型无机抗菌剂 

和光催化型无机抗菌剂。金属型无机抗菌剂是银、铜、锌等 

金属或其离子担载在沸石、硅胶等多孔材料的一类抗菌剂, 

而使沸石具有很强的 离子交换能力。这样,银离子很容易 

通过离子交换法而获得Ag/沸石抗菌剂。银(铜)离子的引入 

量一般都较大(2.5%左右),灭菌效果明显,使用寿命也长。 

目前比较成熟的沸石抗菌齐U是EI本Sinanen Zeomic公司的专 

利产品的Zeomic XAW10D,即银或银和锌,A型沸石。载银 

其中含银的抗菌剂具有良好的抗菌性,但价格高,有变色现 

象。光催化氧化物型无机抗菌剂是指一类能被光子激活的无 沸石含银为2.1-2.5w t%。王小健H 制备了载银沸石无机抗菌 

机材料,包括TiO2、ZrO2、V2O3、CdS、GaP、SiC、SeO2 

等半导体材料等。表2是无机抗菌刑的简单分类。 

表2无机抗菌剂的分类 

种类 活性 载体 活性组分与载体的 

组分 作用方式 

硅酸盐 沸石 离子交换 

银、铜、 类载体 硅胶 

粘土 

吸附 

离子交换 

金属型 锌等金 磷酸盐 磷酸锆 离子交换 

属或其 类载体 磷酸钙 吸附 

离子 可溶性玻璃 玻璃成分 

活性碳或碳纤维 吸附 

光催化型 Tj02、Zr02、V203、CdS、GaP、SiC、Se02 

等半导体材料 

2.1金属型无机抗菌荆 

2.1.1金属型无机抗菌剂的抗菌机理 

目前关于金属离子的抗菌机理的研究并没有定论,以银 

离子为例,主要有以下两种机理口l:(1)接触反应假说:当 

微量银离子到达微生物细胞膜时,因细胞膜带有负电荷,银 

离子能依靠库伦引力牢固吸附细胞膜上,而且银离子还能进 

步穿透细胞壁进入细菌内,并与细菌中的疏基反应,使细 

菌的蛋白质凝固,破坏细菌的细胞合成酶的活性,使细胞丧 

失分裂增殖能力而死亡。当菌体失去活性后,银离子又会从 

菌体中游离出来,重复进行杀菌活动,因此其抗菌效果持久。 

(2)催化反应假说:在光的作用下,银离子能起到催化活 

性中心的作用,激活水和空气中的氧,产生羟基自由基 

(・OH)及活性氧离子(02 ),而活性氧离子(O )具有很 

强的氧化能力,能在短时间内破坏细菌的增殖能力,致使细 

胞死亡,从而杀死细菌。 

2.1.2金属/硅酸盐类抗菌剂 

许多金属离子具有杀灭、抑制病原体的能力,按下列顺 

序递减 

Ag>Hg>Cu>Cd>Cp Ni>Pd>Co>Zn>Fe 

由于Hg、cd、Pb、和Co:等金属的毒性较大,实际应用 

中作为金属抗菌剂的金属主要是Ag,Cu和zn。其中,由于金 

属银的杀菌能力最强,因此含银离子抗菌剂的研究与应用最 

为广泛。 

在众多的载体中,以沸石作为载体的抗菌效果最强,这 

也是目前无机体系抗菌剂大多采用沸石做载体的原因。沸石 

为一种碱金属或碱土金属的结晶型硅铝酸盐,又名分子筛。 

其结构由硅氧四面体和铝氧四面体共『}j氧原子,构成三维骨 

架环状结构,具有较大的比表面积。由于骨架中的铝一氧四 

面体电价不平衡,为达到静电平衡,结构中必须结合钠、钙 

等金属阳离子,而此类阳离子可以被其它阳离子所交换,从 

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剂,并对制备工艺进行了优化,载银抗菌剂在聚丙烯中的添 

加量达到1%时,具有良好的抗菌能力。李毕忠 I ̄)AgNO3、 

Zn(NO3)2、ZnSO4、ZnO、分散剂和沸石为原料,通过控制 

组分间比例和一定的步骤合成塑料用抗菌剂,得到的抗菌剂 

具有抗菌谱广,颜色稳定性好,适用范围广等特点。 

银离子的抗菌力很强,但其化学性质比较活泼,易转变 

为棕色的氧化银或还原成黑色的单质银,无机抗菌剂变色后 

不仅降低了其抗菌性,而且还可使自色和浅色塑料制品无法 

应用 。日本在这方面做了不少的工作,如利用氧化锌的自 

度和屏蔽紫外线作用来遮盖色变,同时氧化锌作为一种辅助 

抗菌剂。 

膨润土是典型的层状粘土矿物,蒙脱石是膨润土的主要 

成分,其层间的阳离子易被交换,因而具有很大的离子交换 

容量。基于蒙脱石的层状结构及可离子交换的特性,日本人 

通过对微米或亚微米级的蒙脱石微粉进行离子交换从而获 

得在纳米尺度上金属(Ag)与非金属复合的载银纳米复合 

抗菌材料,达到了良好的抗菌效果…。 

2.1_3金属/磷酸盐类抗菌剂 

可作为抗菌剂载体的磷酸盐主要是磷酸三钙、磷酸四 

钙、羟基磷灰石等降解性的磷酸钙类物质。由于磷酸钙与生 

物具有良好亲和性,因此,以磷酸钙为载体的抗菌剂的研究 

非常活跃 J。银/磷酸钙抗菌剂制备工艺是将银离子化合物与 

磷酸钙混合,然后在1 000 ̄2以上进行高温烧结,再经粉碎、 

研磨后即得银/磷酸钙抗菌剂,抗菌成分Ag一通过载体材料的 

解析过程进入介质溶液的,从而产生抗菌作用。Ag一的析出量 

与磷酸钙载体的结构(气孔尺寸、空隙度、结晶度、晶格缺 

陷、比表面等)与形态(颗粒、粉末或致密块等)密切有关 l。 

2.1.4金属/可溶性玻璃类抗菌剂 

在磷酸盐玻璃中引入A 、cu“后,即可使其成为一种 

新型无机抗菌剂,与有机杀菌剂相比,它具有杀菌效率高、 

耐热性好、稳定性高等优点,而且又因其具有定量溶解的特 

点,能大大方便管理和显著降低使用杀菌剂的劳动强度。I】uJ 

Yasukimi等人… 在磷酸盐中引入0.03 ̄5(mo1%)的氧化 

银后,能制成效果良好的杀菌、阻藻剂。而Norio等人”引将 

含0.5~2(wt%)氧化银的磷酸盐玻璃制成颗粒状,并将其以 

j wt%的含量加到砂箱中去,这种砂箱能对大肠杆菌起到良 

好的杀菌效果,而且还不受气候的影响。另9bTsuneaki等人 

则将载银磷酸盐可溶玻璃以一定的比例加入到聚碳酸脂中 

去后,使得聚碳酸脂也具有良好的抗菌效果。 

2.】.5金属/活性碳类抗菌剂 

银/活性碳和银/碳纤维抗菡剂常用于水的净化处理。含 

银活性碳纤维的制备最早见于日本Oya的工作川将硝酸银用 

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有机溶剂溶解后与酚醛树脂或沥青共混熔融纺丝,然后高温 

碳化活化,制得含银活性碳纤维,但由于溶剂的存在降低了 

的沥青或酚醛树脂纺丝的难度且由于后期溶剂的逸出留下 

小孔而降低了纤维的拉伸强度。朱征” 等采用硝酸银浸渍 

活性碳纤维,然后真空条件下高温加热分解的方法,在活性 

碳纤维表面沉积银,制得含银活性碳纤维,。这种方法真空 

分解增加了工艺的复杂性。陈水挟等利用水蒸气活化和化学 

活化方法,制备了各种原料基活性炭纤维,并利用活性炭纤维 

的氧化还原特性,在其上负载金属银,结果发现原料基、活 

化方法、载银量、纤维的比表面积等因素均对材料的抗菌性 

能有一定的影响” ,”J。 

2.2光催化型无机抗菌剂 

光催化型无机抗菌剂是半导体光催化以n型半导体的催 

化材料,例如TiO2,CdO,ZnS,ZnO,WO3,Fe203,SnO 

等,其中以TiO2,ZnO的催化活性最好。Ti 02的化学性能与 

光电化学性能稳定,对身体和微生物无毒性,来源丰富,可 

使某些吸热反应在光照射的TiO2微粒表面得以实现和加速, 

因而常选择TiO2为光催化型无机抗菌剂 。 

2,2.1光催化型无机抗菌剂的抗菌机理 

目前,在光催化型无机抗菌剂的研究工作中所使用的光 

催化剂大多为锐钛矿型的TiO2晶体材料,TiO2在光照情况 

下,将产生光催化作用,可用以抗菌、除臭等,是一种多功 

能型抗菌剂。光催化是指在有光参与的条件下,发生在光催 

化剂及其表面吸附物之间的一种光化学反应和氧化、还原过 

程。TiO2的抗菌作用机理是 71,TiO2被光催化作用下产生电 

子一空穴对,并与其表面吸附的HO和0作用生成羟基自由 

基和过氧化物阴离子自由基,当遇到细菌时,导致细菌蛋白 

质变异和脂类分解,从而杀灭细菌。 

2.2.2光催化型无机抗菌剂研究现状 

目前TiOz光催化抗菌剂的研究主要集中在如何提高材 

料的光催化活性,如制备TiOz纳米粉体和薄膜,这样一方面 

使得材料的禁带变宽,电子,空穴具有更高的氧化还原电位, 

从而具有更高的氧化还原电位。另外一方面使材料表面积增 

加,从而使表面产生更多的活性自由基,及活性氧,从而提 

高材料的光催化活性。此外还有其它的改性手段,可以显著 

地改善TiO 的光吸收和光催化效能,如在半导体表面沉积微 

量的纳米级贵金属(如Pt,Ag等) , 

对半导体进行离子掺杂( ̄llCr“,Cu 等)” 通过对半导体材 

t ̄l-TiO2进行有机敏化、表面沉积金属或金属氧化物、半导体 

复合及金属离子掺杂等,制备二元复合半导体 ” 。从产品 

成本、工艺复杂性角度考虑,制备出掺杂银的纳米级TiO2 

具有良好的前景。目前TiO2光催化抗菌材料己在日本得到了 

实际应用,取得了较为满意的效果。 

3无机抗菌剂的应用状况 

人们物质生活水乎提高后,对卫生和健康要求迅速提 

高。因此抗菌材料的应用领域越来越广泛,比如纤维服装、 

家用电器、卫生陶瓷制品、塑料薄膜、防臭加工处理、建筑 

涂料等,都己经或正在逐步采取抗菌技术。 

3.1纤维 

在抗菌产品中,以纤维制品如内衣、鞋袜、手术服、老 

年人及儿童服装等的加工比较引人注目。纤维抗菌产品的加 

工方法有两种,即填充型和后加工型。填充型是将无机抗菌 

剂与各种合成纤维共混纺丝成纤维。由于抗菌剂被混入纤维 

内部因而用这种方法得到的抗菌纤维的耐洗涤性好,即抗菌 

效果持续时间长。后加工型是在纤维后加工过程中将抗菌剂 

通过化合键或氢键结合在纤维表面,而纤维内部没有抗菌 

剂。这种抗菌纤维只在短时间体现出抗菌性,耐洗涤性较差。 

3.2塑料 

在日常生活中存在着多种多样的塑料制品:如厨房用 

具、卫生间设施、垃圾箱、家用电器的塑料外壳、壁纸、食 

品包装袋等等。由于温度、湿度合适,非常容易感染细菌, 

因此对此类材料进行抗菌加工是极其必要的 ”。用于塑料 

制品的抗菌剂主要是银系抗菌剂和有机系抗菌剂。 

33涂料 

居住环境中使用抗茵涂料,也是的抵抗感染,杀灭细菌 

的办法。为使涂层中的无机抗茵剂发挥作用,接触杀菌是必 

要条件,而且涂层表面的抗菌剂对涂料的色泽不应有太大的 

影响。另外,抗菌剂在涂层表面的均匀分散程度也直接影响 

着抗菌效果的优劣 。目前,涂料中常用的无机菌剂是光 

催化型无机抗菌剂TiO2。 

3.4卫生陶器 

由于卫生间等场合一般比较潮湿,很容易滋生细菌,因 

此开发卫生陶器是很必要的 。陶器的烧结温度非常高(在 

1100—1300"C左右),故一般添加高温下稳定的无机系抗菌 

剂。 

4无机抗菌剂的发展趋势 

抗菌材料的研究工作开始于20世纪80年代,近年来发 

展很快,日本,美国和西欧等发达国家抗菌塑料都有很大的 

发展。国内抗菌剂的抗菌性能与国外抗菌剂的抗菌性能相 

比,起步晚,但进展快。有机,无机、无机,无机等多种复配 

方式或抗菌微粒组装等技术是抗菌剂发展的重要趋势。不同 

的抗菌材料用途和加工方法不同,在开发抗菌剂时,必须考 

虑其抗菌的安全性、耐久性、耐热性、耐候性、抗药性,以 

及加工性能、材料基本性能不变性。 

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(责任编校:何俊华) 

Recent Research,Application and Development 

Trend of Inorganic Antimicrobial Agent 

LAN He WU Bin.yang CHANG Ming.ehen 

(1.collegeof Hunan public security,ChangshaHunan410138,China; 

2.Fushan chemt polymer material CO.,ltd,Guangdong Fushan 528325,China) 

Abstract:Antibacterial material and antibacterial agent are intrduced ion this paper.Classiicatfion,composition,performance 

nd aantibacterial mechanism of inorganic antimicrobial agent are expounded.The development fiend of antimicrobil agenta is 

predicted. 

Key words:antibacterial agent;inorganic antimirobical agent;antimicrobial material 

l16 

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